Angela Belcher a trouvé un moyen de transformer les zombies de la nature en une minuscule chaîne de montage. Mais la création d’une nouvelle pile à combustible n’est peut-être qu’un début.

Les qualités des virus pourraient être adoptées pour la nano-ingénierie en reprogrammant sélectivement leur ADN afin qu’il fonctionne comme un échafaudage pour les matériaux utilisés dans les électrodes des batteries.

En 2009, Angela Belcher, professeur de bio-ingénierie au MIT, s’est rendue à la Maison Blanche pour faire la démonstration d’une petite batterie pour le président Barack Obama, qui n’en était qu’à deux mois de son premier mandat. Il n’y a pas beaucoup de batteries qui pouvaient obtenir une audience avec le président, mais ce n’était pas une batterie comme les autres. Angela Belcher avait utilisé des virus pour assembler les électrodes positives et négatives d’une batterie au lithium-ion, une percée technique qui promettait de réduire la toxicité du processus de fabrication des batteries et d’augmenter leurs performances. Le président Obama s’apprêtait à annoncer un financement de 2 milliards de dollars pour la technologie avancée des batteries, et la pile bouton d’Angela Belcher indiquait ce que l’avenir pourrait réserver.

Une décennie après qu’Angela Belcher ait fait la démonstration de sa batterie à la Maison Blanche, son processus d’assemblage viral a rapidement progressé. Elle a fabriqué des virus qui peuvent fonctionner avec plus de 150 matériaux différents et a démontré que sa technique peut être utilisée pour fabriquer d’autres matériaux comme les cellules solaires. Le rêve de Belcher de se promener dans une « voiture à virus » ne s’est toujours pas réalisé, mais après des années de travail, elle et ses collègues du MIT sont sur le point de sortir cette technologie du laboratoire pour la mettre en pratique.

En tant que zombies microscopiques de la nature, les virus sont à cheval sur le fossé entre les vivants et les morts. Ils sont remplis d’ADN, caractéristique de tous les êtres vivants, mais ils ne peuvent pas se reproduire sans hôte, ce qui les disqualifie de certaines définitions de la vie. Pourtant, comme l’a démontré Belcher, ces qualités pourraient être adoptées pour la nano-ingénierie afin de produire des batteries dont la densité énergétique, la durée de vie et les taux de charge seraient améliorés et qui pourraient être produites de manière écologique.

« Il y a eu un intérêt croissant dans le domaine des batteries pour explorer les matériaux sous forme de nanostructures pour les électrodes de batterie », déclare Konstantinos Gerasopoulos, un chercheur principal qui travaille sur les batteries avancées au laboratoire de physique appliquée de Johns Hopkins. « Il existe plusieurs façons de fabriquer des nanomatériaux à l’aide de techniques chimiques classiques. L’avantage de l’utilisation de matériaux biologiques, tels que les virus, est qu’ils existent déjà sous cette forme « nano », et qu’ils constituent donc essentiellement un modèle naturel ou un échafaudage pour la synthèse de matériaux de batteries ».

La nature a trouvé de nombreuses façons de construire des structures utiles à partir de matériaux inorganiques sans l’aide de virus. L’exemple préféré de Belcher est la coquille de l’ormeau, qui est très structurée à l’échelle nanométrique, légère et robuste. Au cours du processus sur des dizaines de millions d’années, l’ormeau a évolué de telle sorte que son ADN produit des protéines qui extraient des molécules de calcium de l’environnement aquatique riche en minéraux et les déposent en couches ordonnées sur son corps. L’ormeau n’a jamais eu l’occasion de construire des batteries, mais Belcher a réalisé que ce même processus fondamental pouvait être mis en œuvre dans les virus pour construire des matériaux utiles aux humains.

« Nous avons fait de la biologie pour contrôler les nanomatériaux qui ne sont pas normalement cultivés biologiquement », explique Angela Belcher. « Nous avons élargi la boîte à outils de la biologie pour travailler avec de nouveaux matériaux ».

Le virus de choix de Belcher est le bactériophage M13, un virus en forme de cigare qui se réplique dans les bactéries. Bien que ce ne soit pas le seul virus qui puisse être utilisé pour la nano-ingénierie, Belcher affirme qu’il fonctionne bien parce que son matériel génétique est facile à manipuler. Pour enrôler le virus dans la production d’électrodes, Belcher l’expose au matériel qu’elle veut qu’il manipule. Des mutations naturelles ou artificielles de l’ADN de certains virus les amèneront à s’accrocher à ce matériel. Belcher extrait ensuite ces virus et les utilise pour infecter une bactérie, ce qui donne des millions de copies identiques du virus. Ce processus est répété encore et encore, et à chaque itération, le virus devient un architecte de batterie plus finement réglé.

Les virus génétiquement modifiés de Belcher ne peuvent pas distinguer une anode de batterie d’une cathode, mais ils n’en ont pas besoin. Leur ADN n’est programmé que pour accomplir une tâche simple, mais, lorsque des millions de virus accomplissent la même tâche ensemble, ils produisent un matériau utilisable. Par exemple, le virus génétiquement modifié pourrait être modifié pour exprimer une protéine à sa surface qui attire les particules d’oxyde de cobalt pour couvrir son corps. D’autres protéines à la surface du virus attirent de plus en plus de particules d’oxyde de cobalt. Cela forme essentiellement un nanofil d’oxyde de cobalt composé de virus liés entre eux, qui peut être utilisé dans une électrode de batterie.

Le processus de Belcher fait correspondre les séquences d’ADN avec les éléments du tableau périodique pour créer une forme accélérée de sélection non naturelle. Le codage de l’ADN dans un sens peut amener un virus à s’accrocher au phosphate de fer, mais si le code est modifié, le virus peut préférer l’oxyde de cobalt. La technique pourrait être étendue à n’importe quel élément du tableau périodique, il suffit de trouver la séquence d’ADN qui lui correspond. En ce sens, ce que fait Belcher n’est pas si éloigné de l’élevage sélectif pratiqué par les amateurs de chiens pour créer des chiens aux qualités esthétiques désirables qui auraient peu de chances de se retrouver un jour dans la nature. Mais au lieu d’élever des caniches, Belcher reproduit des virus qui construisent des batteries.

Belcher a utilisé sa technique d’assemblage viral pour construire des électrodes et les mettre en œuvre dans différents types de batteries. La batterie dont elle a fait la démonstration pour le président Obama était une pile au lithium-ion standard, comme celle que l’on trouve dans les montres, et servait à alimenter une petite LED. Mais pour l’essentiel, Belcher a utilisé des électrodes aux chimies plus exotiques comme les batteries lithium-air et sodium-ion. La raison, dit-elle, est qu’elle ne voyait pas l’intérêt d’essayer de concurrencer les producteurs de lithium-ion bien établis. « Nous n’essayons pas de rivaliser avec la technologie actuelle », déclare Mme Belcher. « Nous nous demandons si la biologie peut être utilisée pour résoudre des problèmes qui n’ont pas encore été résolus ».

Une application prometteuse consiste à utiliser les virus pour créer des structures d’électrodes très ordonnées afin de raccourcir le chemin d’un ion lorsqu’il se déplace dans l’électrode. Cela permettrait d’augmenter le taux de charge et de décharge de la batterie, qui est « l’un des « saints graals » du stockage d’énergie », explique Paul Braun, directeur du laboratoire de recherche sur les matériaux de l’université de l’Illinois. En principe, dit-il, l’assemblage viral peut être utilisé pour améliorer considérablement la structure des électrodes de la batterie et augmenter leur taux de charge.

Jusqu’à présent, les électrodes à assemblage viral de Mme Belcher avaient une structure essentiellement aléatoire, mais elle et ses collègues s’efforcent d’amener les virus à des arrangements plus ordonnés. Néanmoins, ses batteries alimentées par des virus ont donné des résultats aussi bons, voire meilleurs, que ceux des électrodes fabriquées selon les techniques de fabrication traditionnelles, notamment en améliorant la capacité énergétique, la durée de vie du cycle et les taux de charge. Mais, selon Mme Belcher, le plus grand avantage de l’assemblage viral est qu’il est écologique. Les techniques traditionnelles de fabrication des électrodes nécessitent de travailler avec des produits chimiques toxiques et des températures élevées. Tout ce dont Belcher a besoin, ce sont les matériaux des électrodes, de l’eau à température ambiante et de quelques virus génétiquement modifiés.

« Mon laboratoire se concentre actuellement sur l’obtention de la technologie la plus propre possible », explique Angela Belcher. Cela implique de prendre en considération des éléments tels que l’origine des matériaux extraits pour les électrodes et les déchets produits par la fabrication des électrodes.

Mme Belcher n’a pas encore mis la technologie sur le marché, mais dit qu’elle et ses collègues ont plusieurs documents en cours d’examen qui montrent comment la technologie peut être commercialisée pour des applications énergétiques et autres. (Elle a refusé d’entrer dans les détails).

Lorsque Mme Belcher a suggéré pour la première fois que ces chaînes d’assemblage à ADN pourraient être exploitées pour construire des choses utiles aux humains, elle a rencontré beaucoup de scepticisme de la part de ses collègues. « Les gens m’ont dit que j’étais folle », dit-elle. L’idée ne semble plus si farfelue, mais sortir le processus du laboratoire pour le mettre en œuvre dans le monde réel s’est avéré difficile. « La fabrication traditionnelle des batteries utilise des matériaux et des procédés peu coûteux, mais l’ingénierie des virus pour en améliorer les performances et résoudre les problèmes d’extensibilité nécessitera des années de recherche et les coûts associés », explique Bogdan Dragnea, professeur de chimie à l’université de l’Indiana à Bloomington. « Nous n’avons que récemment commencé à comprendre le potentiel des matériaux à base de virus du point de vue des propriétés physiques ».

Angela Belcher a déjà cofondé deux entreprises sur la base de son travail d’assemblage viral. Cambrios Technologies, fondée en 2004, utilise un procédé de fabrication inspiré des virus pour construire l’électronique des écrans tactiles. Sa deuxième entreprise, Siluria Technologies, utilise des virus dans un processus qui convertit le méthane en éthylène, un gaz largement utilisé dans la fabrication. À un moment donné, Belcher utilisait également des virus pour assembler des cellules solaires, mais la technologie n’était pas assez efficace pour concurrencer les nouvelles cellules solaires en pérovskite.

La question de savoir si l’assemblage viral des électrodes de batterie peut atteindre les niveaux nécessaires à la production commerciale reste ouverte. « Dans une usine de production de batteries, on utilise des tonnes de matériaux, donc il n’est pas très facile d’atteindre ce niveau avec des molécules biologiques », explique Gerasopoulos. Il dit qu’il ne pense pas que cet obstacle soit insurmontable, mais il est « probablement parmi les principaux défis à relever jusqu’à présent ».

Même si le monde ne voit jamais un Tesla alimenté par un virus, l’approche de Belcher en matière de nano-ingénierie biologique est très prometteuse dans des domaines qui n’ont pas grand-chose à voir avec l’électricité. Au MIT, Belcher travaille avec une équipe de scientifiques qui utilisent des techniques d’assemblage de virus pour créer des nanoparticules qui chassent les tumeurs. Conçues pour traquer les cellules cancéreuses qui sont bien trop petites pour être détectées par les médecins, ces nanoparticules pourraient améliorer considérablement la détection précoce et réduire les taux de mortalité chez les patients atteints de cancer. En principe, les particules pourraient également être armées d’un biomatériau qui tuerait les cellules cancéreuses, bien que cela reste un objectif lointain.

Pendant toute l’histoire de l’humanité, les virus ont été les signes avant-coureurs de la mort et de la maladie. Mais les travaux de Belcher laissent entrevoir un avenir où ces petites parcelles d’ADN pourraient avoir beaucoup plus à offrir.

https://www.wired.com/story/the-next-generation-of-batteries-could-be-built-by-viruses/